JP2008175547A - Distance meter and distance measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の干渉を利用して測定対象との距離を計測する干渉型の距離計および距離計測方法に関するものである。 The present invention relates to an interference type distance meter and a distance measurement method for measuring a distance from a measurement object using light interference.
レーザによる光の干渉を利用した距離計測は、非接触測定のため測定対象を乱すことなく、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、FMヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。 Distance measurement using light interference by a laser has long been used as a highly accurate measurement method without disturbing the measurement object for non-contact measurement. Recently, a semiconductor laser is being used as a light source for optical measurement in order to reduce the size of the apparatus. A typical example is one using an FM heterodyne interferometer. This is capable of relatively long distance measurement and good accuracy, but has the disadvantage that the optical system becomes complicated because an interferometer is used outside the semiconductor laser.
これに対して、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉(自己結合効果)を利用した計測器が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。
On the other hand, a measuring instrument using interference (self-coupling effect) in the semiconductor laser between the laser output light and the return light from the measurement object has been proposed (for example,
FP型(ファブリペロー型)半導体レーザの複合共振器モデルを図7に示す。図7において、101は半導体レーザ、102は半導体結晶の壁開面、103はフォトダイオード、104は測定対象である。測定対象104からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器101内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音(複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ)を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型(以下、FP型)半導体レーザに限らず、Vertical Cavity Surface Emitting Laser型(以下、VCSEL型)、Distributed FeedBack laser型(以下、DFBレーザ型)など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。
FIG. 7 shows a composite resonator model of an FP type (Fabry-Perot type) semiconductor laser. In FIG. 7, 101 is a semiconductor laser, 102 is a wall opening of a semiconductor crystal, 103 is a photodiode, and 104 is an object to be measured. Part of the reflected light from the measurement object 104 easily returns to the oscillation region. The small amount of light that has returned returns to the laser beam in the
レーザの発振波長をλ、測定対象104に近い方の壁開面102から測定対象104までの距離をLとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器101内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
L=nλ/2 ・・・(1)
式(1)において、nは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
If the oscillation wavelength of the laser is λ and the distance from the wall
L = nλ / 2 (1)
In formula (1), n is an integer. This phenomenon can be sufficiently observed even if the scattered light from the measurement object 104 is very weak, because the apparent reflectance in the
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図8は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード103の出力波形との関係を示す図である。式(1)に示したL=nλ/2を満足したときに、戻り光と共振器101内のレーザ光の位相差が0°(同位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も強め合い、L=nλ/2+λ/4のときに、位相差が180°(逆位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器101に設けられたフォトダイオード103で検出すると、図8に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
Since the semiconductor laser emits laser beams having different frequencies according to the magnitude of the injection current, an external modulator is not required when modulating the oscillation frequency, and direct modulation is possible by the injection current. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength and the output waveform of the
この階段状の波形、すなわち干渉縞の1つ1つをモードポップパルス(以下、MHP)と呼ぶ。MHPはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象104までの距離がL1のとき、MHPの数が10個であったとすれば、半分の距離L2では、MHPの数は5個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してMHPの数は変わる。したがって、MHPをフォトダイオード103で検出し、MHPの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
Each stepped waveform, that is, each interference fringe is called a mode pop pulse (hereinafter referred to as MHP). MHP is a phenomenon different from the mode hopping phenomenon. For example, if the number of MHPs is 10 when the distance to the measurement object 104 is L1, the number of MHPs is 5 at half the distance L2. That is, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed for a certain time, the number of MHPs changes in proportion to the measurement distance. Therefore, if the MHP is detected by the
自己結合型を含む従来の干渉型の距離計では、カウンタを用いてMHPの数を測定するか、あるいはFFT(Fast Fourier Transform)を用いてMHPの周波数を測定することにより、測定対象との距離を求めるようにしていた。FFTを用いる距離計では、MHPの周波数を測定するため、MHPの数に置き換えて考えると、MHPの数を小数点単位で測定できることになり、測定対象との距離を高い分解能で測定可能である。これに対して、カウンタを用いる距離計では、回路構成が簡単になるという利点があるが、MHPの数を整数単位でしか数えることができないため、FFTを用いる場合に比べて距離の分解能が低くなるという問題点があった。 In a conventional interference type distance meter including a self-coupled type, the number of MHPs is measured using a counter, or the MHP frequency is measured using an FFT (Fast Fourier Transform), so that the distance to the measurement object is measured. I was asking for. In the distance meter using FFT, since the frequency of MHP is measured and replaced with the number of MHPs, the number of MHPs can be measured in decimal units, and the distance to the measurement object can be measured with high resolution. On the other hand, a distance meter using a counter has an advantage that the circuit configuration is simplified. However, since the number of MHPs can be counted only in an integer unit, the distance resolution is lower than when using FFT. There was a problem of becoming.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、カウンタを用いてMHPの数を測定し測定対象との距離を求める距離計および距離計測方法において、距離の分解能を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to improve distance resolution in a distance meter and a distance measurement method for measuring the number of MHPs using a counter and obtaining a distance from a measurement object. And
本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手段の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手段と、この確定手段によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手段の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手段と、この確定手段によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
The distance meter of the present invention includes at least a semiconductor laser that emits laser light to a measurement target, a first oscillation period that includes at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously, and a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously. A laser driver that operates the semiconductor laser so that second oscillation periods including the second oscillation period alternately exist, and a light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement target into an electrical signal And counting means for counting the number of interference waveforms generated by the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object included in the output signal of the light receiver, and a count for counting the number of the interference waveforms Determining means for determining the number of interference waveforms in decimal units from the initial value and final value of the interference waveform in the period and the counting result of the counting means; Therefore in which the number of the determined interference waveform and a calculating means for calculating a distance between the measurement object.
The distance meter of the present invention includes a semiconductor laser that emits laser light to a measurement target, a first oscillation period that includes at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously, and a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously. Included in the output signal of the laser receiver, the laser driver that operates the semiconductor laser so that the second oscillation period including at least the second oscillation period alternately exists, the optical receiver that converts the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal, and Counting means for counting the number of interference waveforms caused by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, and the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms. From the initial value and the final value and the counting result of the counting means, a determining means for determining the number of interference waveforms in decimal units, and the interference determined by the determining means From the number of forms and has a calculating means for determining the distance between the measurement object.
また、本発明の距離計の1構成例において、前記計数手段は、前記干渉波形の立ち上がりエッジを数え、前記確定手段は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手段の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定するものである。
また、本発明の距離計の1構成例において、前記計数手段は、前記干渉波形の立ち下がりエッジを数え、前記確定手段は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手段の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定するものである。
Further, in one configuration example of the distance meter of the present invention, the counting unit counts rising edges of the interference waveform, and the determination unit determines whether the initial value of the interference waveform is high and the final value is also high. When the initial value of the interference waveform is low level and the final value is also low level, the counting result of the counting means is determined as the number of interference waveforms, and the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low level. In this case, a value obtained by adding 0.5 to the counting result of the counting means is determined as the number of the interference waveforms, and when the initial value of the interference waveform is low level and the final value is high level, A value obtained by subtracting 0.5 from the counting result is determined as the number of the interference waveforms.
Further, in one configuration example of the distance meter of the present invention, the counting unit counts falling edges of the interference waveform, and the determination unit determines that the initial value of the interference waveform is high level and the final value is also high level. Alternatively, when the initial value of the interference waveform is low level and the final value is also low level, the counting result of the counting means is determined as the number of interference waveforms, and the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low. In the case of level, a value obtained by subtracting 0.5 from the counting result of the counting means is determined as the number of the interference waveforms, and when the initial value of the interference waveform is low level and the final value is high level, the counting means A value obtained by adding 0.5 to the counting result is determined as the number of the interference waveforms.
また、本発明は、波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、干渉波形の数に基づいて前記測定対象との距離を求める距離計測方法において、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記干渉波形の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明は、半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手順の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明は、半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手順の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
Further, the present invention radiates a wavelength-modulated wave to a measurement object, detects interference generated between the wave reflected back to the measurement object and the radiated wave, and measures the measurement based on the number of interference waveforms. In the distance measurement method for determining the distance to the target, the number of the interference waveforms is determined in decimal units from the initial and final values of the interference waveform and the counting result of the interference waveform in the counting period for counting the number of the interference waveforms. And a calculation procedure for obtaining a distance to the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination procedure.
Further, the present invention provides a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser, wherein the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and the oscillation wavelength continuously monotonously. An oscillation signal for operating the semiconductor laser so that second oscillation periods including at least a decreasing period alternately exist, and laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object are electric signals. A counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, and a count for counting the number of the interference waveforms, included in the output signal of the light receiver to be converted into A determination procedure for determining the number of interference waveforms in decimal units from the initial value and final value of the interference waveform in the period and the counting result of the counting procedure; In which the number of the determined interference waveform by sequentially and a calculation procedure for obtaining the distance to the measurement target.
Further, the present invention provides a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser, wherein the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and the oscillation wavelength continuously monotonously. An oscillation procedure for operating the semiconductor laser so that second oscillation periods including at least a decreasing period alternately exist, and an output signal of a light receiver that converts an optical output of the semiconductor laser into an electrical signal; A counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, and an initial value of the interference waveform in a counting period for counting the number of interference waveforms And a determination procedure for determining the number of interference waveforms in decimal units from the final value and the counting result of the counting procedure, and an interference wave determined by the determination procedure. In which the number and an algorithm for determining the distance between the measurement object.
本発明によれば、干渉波形の数を数える計数期間における干渉波形の初期値及び最終値と計数手段の計数結果とから、干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手段を設けることにより、干渉波形の数を小数点単位で数えることができるので、計数手段(カウンタ)を用いて干渉波形の数を測定し測定対象との距離を求める距離計において、距離の分解能を向上させることができる。 According to the present invention, there is provided interference determining means for determining the number of interference waveforms in units of decimal points from the initial value and final value of the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms and the counting result of the counting means. Since the number of waveforms can be counted in decimal units, the distance resolution can be improved in a distance meter that measures the number of interference waveforms using a counting means (counter) to determine the distance to the measurement object.
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間(あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間)における測定対象の変位は、MHPの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのMHPの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、本発明の基本的な原理である。 The present invention is a method for measuring a distance based on an interference signal between a wave emitted in sensing using wavelength modulation and a wave reflected by an object. Therefore, the present invention can also be applied to an optical interferometer other than the self-coupling type and an interferometer other than light. More specifically, the case where the self-coupling of the semiconductor laser is used will be described. When the laser oscillation wavelength is changed while irradiating the measurement target from the semiconductor laser, the oscillation wavelength changes from the minimum oscillation wavelength to the maximum oscillation wavelength. The displacement of the measurement object during the change (or during the change from the maximum oscillation wavelength to the minimum oscillation wavelength) is reflected in the number of MHPs. Therefore, the state of the measurement object can be detected by examining the number of MHPs when the oscillation wavelength is changed. The above is the basic principle of the present invention.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。図1の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して測定対象12に照射すると共に、測定対象12からの戻り光を集光して半導体レーザ1に入射させるレンズ3と、半導体レーザ1に発振波長が連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器5と、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路11と、フィルタ回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数装置8と、MHPの数から測定対象12との距離を算出する演算装置9と、演算装置9の算出結果を表示する表示装置10とを有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distance meter according to an embodiment of the present invention. 1 includes a
以下、説明容易にするために、半導体レーザ1には、モードホッピング現象を持たない型(VCSEL型、DFBレーザ型)のものが用いられているものと想定する。
Hereinafter, for ease of explanation, it is assumed that a
例えば、レーザドライバ4は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ1に供給する。これにより、半導体レーザ1は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。
For example, the
図2は、半導体レーザ1の発振波長の時間変化を示す図である。図2において、t−1はt−1番目の発振期間、tはt番目の発振期間、t+1はt+1番目の発振期間、t+2はt+2番目の発振期間、t+3はt+3番目の発振期間、t+4はt+4番目の発振期間、λaは各期間における発振波長の最小値、λbは各期間における発振波長の最大値、Tは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λb及び発振波長の最小値λaはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λb−λaも常に一定になされている。
FIG. 2 is a diagram showing the change over time of the oscillation wavelength of the
半導体レーザ1から出射したレーザ光は、レンズ3によって集光され、測定対象12に入射する。測定対象12で反射された光は、レンズ3によって集光され、半導体レーザ1に入射する。ただし、レンズ3による集光は必須ではない。フォトダイオード2は、半導体レーザ1の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器5は、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する。
Laser light emitted from the
フィルタ回路11は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図3(A)は電流−電圧変換増幅器5の出力電圧波形を模式的に示す図、図3(B)はフィルタ回路11の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード2の出力である図3(A)の波形(変調波)から、図2の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図3(B)のMHP波形(重畳波)を抽出する過程を表している。
The
計数装置8は、フィルタ回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間t−1,t+1,t+3と第2の発振期間t,t+2,t+4の各々について数える。図4は計数装置8の構成の1例を示すブロック図である。計数装置8は、判定部81と、論理積演算部(AND)82と、カウンタ83と、立ち上がりエッジ検出部84と、立ち下がりエッジ検出部85と、計数結果確定部86とから構成される。電流−電圧変換増幅器5とフィルタ回路11と計数装置8の判定部81とAND82とカウンタ83とは、計数手段を構成し、また立ち上がりエッジ検出部84と立ち下がりエッジ検出部85と計数結果確定部86とは、MHPの数を小数点単位で確定する確定手段を構成している。
The
図5(A)〜図5(D)は計数装置8の動作を説明するための図であり、図5(A)はフィルタ回路11の出力電圧の波形、すなわちMHPの波形を模式的に示す図、図5(B)は図5(A)に対応する判定部81の出力を示す図、図5(C)は計数装置8に入力されるゲート信号GSを示す図、図5(D)は図5(B)に対応するカウンタ83の計数結果を示す図である。
5A to 5D are diagrams for explaining the operation of the
まず、計数装置8の判定部81は、図5(A)に示すフィルタ回路11の出力電圧がハイレベル(H)かローレベル(L)かを判定して、図5(B)のような判定結果を出力する。
AND82は、判定部81の出力と図5(C)のようなゲート信号GSとの論理積演算の結果を出力し、カウンタ83は、AND82の出力の立ち上がりをカウントする(図5(D))。ここで、ゲート信号GSは、計数期間(本実施の形態では第1の発振期間又は第2の発振期間)の先頭で立ち上がり、計数期間の終わりで立ち下がる信号である。したがって、カウンタ83は、計数期間中のAND82の出力の立ち上がりエッジの数(すなわち、MHPの立ち上がりエッジの数)を数えることになる。
First, the
The AND 82 outputs the logical product operation result of the output of the
一方、立ち上がりエッジ検出部84は、ゲート信号GSの立ち上がりエッジを検出し、立ち下がりエッジ検出部85は、ゲート信号GSの立ち下がりエッジを検出する。
計数結果確定部86は、判定部81の判定結果と、カウンタ83の計数結果と、立ち上がりエッジ検出部84及び立ち下がりエッジ検出部85の検出結果に基づいて、フィルタ回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を小数点単位で確定する。計数結果確定部86は、表1に示すような計数結果確定基準に従ってMHPの数を確定する。
On the other hand, the rising
The count
図6(A)〜図6(I)は計数結果確定部86の動作を説明するための図であり、図6(A)はゲート信号GSを示す図、図6(B)、図6(D)、図6(F)、図6(H)は判定部81の出力例を示す図、図6(C)、図6(E)、図6(G)、図6(I)はそれぞれ図6(B)、図6(D)、図6(F)、図6(H)に対応するカウンタ83の計数結果を示す図である。
6A to 6I are diagrams for explaining the operation of the counting
まず、計数結果確定部86は、立ち上がりエッジ検出部84がゲート信号GSの立ち上がりエッジを検出したときの判定部81の判定結果(以下、MHPの初期値と呼ぶ)がハイレベルで、かつ立ち下がりエッジ検出部85がゲート信号GSの立ち下がりエッジを検出したときの判定部81の判定結果(以下、MHPの最終値と呼ぶ)もハイレベルの場合(図6(B))、表1に示すようにカウンタ83の計数結果を補正なしでMHPの数として確定する。
First, the counting
同様に、計数結果確定部86は、MHPの初期値がローレベルで、MHPの最終値もローレベルの場合(図6(D))、表1に示すようにカウンタ83の計数結果を補正なしでMHPの数として確定する。
図6(B)、図6(D)の例は、計測期間中のMHPが、その個数がほぼ整数単位と見なせる切りのいいところで終わった例である。図6(B)に対応する図6(C)のカウンタ83の計数結果と図6(D)に対応する図6(E)のカウンタ83の計数結果は共に7なので、MHPの数も共に7個となる。
Similarly, when the initial value of MHP is low and the final value of MHP is also low (FIG. 6D), the counting
The examples of FIGS. 6B and 6D are examples in which MHPs during the measurement period have ended at a point where the number can be regarded as an integer unit. Since the count result of the
一方、計数結果確定部86は、MHPの初期値がハイレベルで、MHPの最終値がローレベルの場合(図6(F))、表1に示すようにカウンタ83の計数結果に0.5を加算した値をMHPの数とする。図6(F)に対応する図6(G)のカウンタ83の計数結果は6なので、MHPの数は6.5個となる。
On the other hand, when the initial value of MHP is at a high level and the final value of MHP is at a low level (FIG. 6F), the counting
また、計数結果確定部86は、MHPの初期値がローレベルで、MHPの最終値がハイレベルの場合(図6(H))、表1に示すようにカウンタ83の計数結果から0.5を減算した値をMHPの数とする。図6(H)に対応する図6(I)のカウンタ83の計数結果は7なので、MHPの数は6.5個となる。
In addition, when the initial value of MHP is at a low level and the final value of MHP is at a high level (FIG. 6 (H)), the counting
こうして、フィルタ回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を小数点単位で数えることができる。計数装置8は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
Thus, the number of MHPs included in the output voltage of the
次に、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数に基づいて測定対象12との距離を求める。一定期間におけるMHPの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間(本実施の形態では第1の発振期間又は第2の発振期間)におけるMHPの数と距離との関係を予め求めて演算装置9のデータベース(不図示)に登録しておけば、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、測定対象12との距離を求めることができる。
Next, the arithmetic device 9 obtains the distance from the measuring
あるいは、計数期間におけるMHPの数と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数を数式に代入することにより、測定対象12との距離を算出することができる。演算装置9は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
表示装置10は、演算装置9によって算出された測定対象12との距離(変位)をリアルタイムで表示する。また、表示装置10は、測定対象検知信号/非検知信号に基づく、測定対象12の検知/非検知結果を表示する。
Alternatively, if a mathematical expression indicating the relationship between the number of MHPs and the distance in the counting period is obtained and set in advance, the arithmetic device 9 performs measurement by substituting the number of MHPs measured by the
The
以上のように、本実施の形態では、MHPの数を小数点単位で数えることができるので、カウンタを用いてMHPの数を測定し測定対象との距離を求める距離計において、距離の分解能を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、カウンタ83はMHPの立ち上がりエッジの数を数えるようにしているが、MHPの立ち下がりエッジの数を数えるようにしてもよい。この場合の計数結果確定部86の計数結果確定基準を表2に示す。
As described above, in this embodiment, the number of MHPs can be counted in decimal units. Therefore, the distance resolution is improved in a distance meter that measures the number of MHPs using a counter and obtains the distance to the measurement target. Can be made.
In the present embodiment, the
MHPの初期値がハイレベルで、MHPの最終値もハイレベルの場合、又はMHPの初期値がローレベルで、MHPの最終値もローレベルの場合は、前記と同様である。一方、計数結果確定部86は、MHPの初期値がハイレベルで、MHPの最終値がローレベルの場合(図6(F))、表2に示すようにカウンタ83の計数結果から0.5を減算した値をMHPの数とする。また、計数結果確定部86は、MHPの初期値がローレベルで、MHPの最終値がハイレベルの場合(図6(H))、表2に示すようにカウンタ83の計数結果に0.5を加算した値をMHPの数とする。
When the initial value of MHP is high and the final value of MHP is also high, or when the initial value of MHP is low and the final value of MHP is also low, the same as described above. On the other hand, when the initial value of MHP is at a high level and the final value of MHP is at a low level (FIG. 6F), the counting
また、本実施の形態における計数装置8と演算装置9は、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。CPUは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
The
本発明は、測定対象との距離を計測する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for measuring a distance from a measurement object.
1…半導体レーザ、2…フォトダイオード、3…レンズ、4…レーザドライバ、5…電流−電圧変換増幅器、8…計数装置、9…演算装置、10…表示装置、11…フィルタ回路、12…測定対象、81…判定部、82…論理積演算部、83…カウンタ、84…立ち上がりエッジ検出部、85…立ち下がりエッジ検出部、86…計数結果確定部。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手段の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手段と、
この確定手段によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。 A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. A laser driver,
A light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object into an electrical signal;
Counting means for counting the number of interference waveforms generated by the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object included in the output signal of the light receiver;
Determining means for determining the number of interference waveforms in decimal units from the initial value and final value of the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms and the counting result of the counting means;
A distance meter comprising: a calculation means for obtaining a distance from the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination means.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手段の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手段と、
この確定手段によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。 A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. A laser driver,
A light receiver for converting the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal;
Counting means for counting the number of interference waveforms generated by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, included in the output signal of the light receiver,
Determining means for determining the number of interference waveforms in decimal units from the initial value and final value of the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms and the counting result of the counting means;
A distance meter comprising: a calculation means for obtaining a distance from the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination means.
前記計数手段は、前記干渉波形の立ち上がりエッジを数え、
前記確定手段は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手段の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定することを特徴とする距離計。 The distance meter according to claim 1 or 2,
The counting means counts rising edges of the interference waveform,
When the initial value of the interference waveform is at a high level and the final value is also at a high level, or when the initial value of the interference waveform is at a low level and the final value is also at a low level, the determination unit determines the count result of the counting unit. When the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low level, the value obtained by adding 0.5 to the counting result of the counting means is determined as the number of interference waveforms. When the initial value of the interference waveform is at a low level and the final value is at a high level, the distance meter determines a value obtained by subtracting 0.5 from the count result of the counting means as the number of the interference waveforms.
前記計数手段は、前記干渉波形の立ち下がりエッジを数え、
前記確定手段は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手段の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手段の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定することを特徴とする距離計。 The distance meter according to claim 1 or 2,
The counting means counts falling edges of the interference waveform,
When the initial value of the interference waveform is at a high level and the final value is also at a high level, or when the initial value of the interference waveform is at a low level and the final value is also at a low level, the determination unit determines the count result of the counting unit. When the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low level, the value obtained by subtracting 0.5 from the counting result of the counting means is determined as the number of interference waveforms. When the initial value of the interference waveform is a low level and the final value is a high level, a value obtained by adding 0.5 to the count result of the counting means is determined as the number of the interference waveforms.
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記干渉波形の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、
この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 A wavelength-modulated wave is radiated to a measurement object, interference generated between the wave reflected back to the measurement object and the radiated wave is detected, and a distance from the measurement object is obtained based on the number of interference waveforms. In the distance measurement method,
From the initial value and the final value of the interference waveform and the counting result of the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms, a confirmation procedure for determining the number of the interference waveforms in decimal units;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance from the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination procedure.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手順の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、
この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 In a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser,
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation procedure
Laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object included in an output signal of a light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object into an electrical signal A counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by
From the initial value and the final value of the interference waveform in the counting period for counting the number of the interference waveforms and the counting result of the counting procedure, a confirmation procedure for determining the number of the interference waveforms in decimal units;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance from the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination procedure.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の初期値及び最終値と前記計数手順の計数結果とから、前記干渉波形の数を小数点単位で確定する確定手順と、
この確定手順によって確定された干渉波形の数から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 In a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser,
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation procedure
The number of interference waveforms generated by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, included in the output signal of the light receiver that converts the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal. Counting procedure;
From the initial value and the final value of the interference waveform in the counting period for counting the number of the interference waveforms and the counting result of the counting procedure, a confirmation procedure for determining the number of the interference waveforms in decimal units;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance from the measurement object from the number of interference waveforms determined by the determination procedure.
前記計数手順は、前記干渉波形の立ち上がりエッジを数え、
前記確定手順は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手順の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手順の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手順の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定することを特徴とする距離計測方法。 The distance measuring method according to claim 6 or 7,
The counting procedure counts rising edges of the interference waveform,
In the determination procedure, when the initial value of the interference waveform is high level and the final value is also high level, or when the initial value of the interference waveform is low level and the final value is also low level, the counting result of the counting procedure is When the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low level, the value obtained by adding 0.5 to the counting result of the counting procedure is determined as the number of interference waveforms. A distance measurement method characterized in that when the initial value of the interference waveform is at a low level and the final value is at a high level, a value obtained by subtracting 0.5 from the count result of the counting procedure is determined as the number of the interference waveforms.
前記計数手順は、前記干渉波形の立ち下がりエッジを数え、
前記確定手順は、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値もハイレベルの場合又は前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値もローレベルの場合は、前記計数手順の計数結果を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がハイレベルで最終値がローレベルの場合は、前記計数手順の計数結果から0.5減算した値を前記干渉波形の数として確定し、前記干渉波形の初期値がローレベルで最終値がハイレベルの場合は、前記計数手順の計数結果に0.5加算した値を前記干渉波形の数として確定することを特徴とする距離計測方法。 The distance measuring method according to claim 6 or 7,
The counting procedure counts the falling edges of the interference waveform,
In the determination procedure, when the initial value of the interference waveform is high level and the final value is also high level, or when the initial value of the interference waveform is low level and the final value is also low level, the counting result of the counting procedure is When the initial value of the interference waveform is high level and the final value is low level, the value obtained by subtracting 0.5 from the counting result of the counting procedure is determined as the number of interference waveforms. When the initial value of the interference waveform is at a low level and the final value is at a high level, a value obtained by adding 0.5 to the counting result of the counting procedure is determined as the number of interference waveforms.
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|---|---|---|---|---|
| JP2010071923A (en) * | 2008-09-22 | 2010-04-02 | Yamatake Corp | Vibrational frequency measuring apparatus and vibrational frequency measuring technique |
| JP2010078393A (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-08 | Yamatake Corp | Device and method for measuring vibration amplitude |
-
2007
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|---|---|---|---|---|
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| JP2010078393A (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-08 | Yamatake Corp | Device and method for measuring vibration amplitude |
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